大气科学学报

主办单位：南京信息工程大学

主编：王会军

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专题：大气污染物的二次转化及其辐射效应

复合体系有机气体氧化生成二次有机气溶胶研究进展

陈晓文，李坤，李建龙，杜林

2023,46(5): 641-654, DOI: 10.13878/j.cnki.dqkxxb.20230327001

[摘要] (222) [HTML] (342) [PDF 6.30 M] (250)

摘要：
生物源与人为源有机气体氧化形成的二次有机气溶胶(SOA)对气候变化和人类健康具有重要影响。SOA的产生与其前体物研究已取得了一些进展,但由于有机气体之间存在复合相互作用以及SOA形成机制复杂,目前对不同有机气体混合体系中SOA的形成认知还比较匮乏。因此,深入了解有机气体多源、复杂的相互作用,摸清有机气体的大气氧化机制、SOA的形成及影响等对深入理解真实大气有机气体化学演变具有指导意义。本文旨在了解复合体系有机气体氧化生成SOA的相关研究进展。一方面总结了复合体系有机气体产生SOA质量浓度、产率、成分、挥发性、光学性质等的变化,侧重于实验室复合体系有机气体氧化对SOA形成的多重影响以及SOA组成元素、分子构成的变化特征,并总结了目前实验室基于模型对复合体系SOA生成的模拟研究和拟合情况;另一方面探究了环境因素,如相对湿度(RH)、温度(T)以及无机气体,如氮氧化物(NO_x)、二氧化硫(SO₂)、氨气(NH₃)等对复合体系有机气体形成SOA的影响。

基于旋翼无人机观测的雾天和霾天VOCs垂直分布特征研究

刘若岚，刘端阳，袁淑杰，祖繁，吴泓，刘瑞翔

2023,46(5): 655-666, DOI: 10.13878/j.cnki.dqkxxb.20230212001

[摘要] (112) [HTML] (72) [PDF 7.50 M] (245)

摘要：
为研究雾和霾天气下VOCs时空变化特征,于2020年11月19 日—2021年1月15日在江苏省东海国家气象观测站进行为期58 d的外场观测试验。利用自主研发的多旋翼无人机捕获2次辐射雾和2次霾天气过程,获得气温、气压、相对湿度、风向、风速、VOCs、O₃等7种要素100多条垂直廓线。结果表明:时间上,霾过程夜间VOCs体积浓度(0.225~0.253 ppm(parts per million, 1 ppm=10^-6))明显高于白天(0.191~0.205 ppm),雾形成前体积浓度(0.121~0.239 ppm)显著高于雾过程(0.056~0.209 ppm)。雾过程中VOCs体积浓度与雾强度变化相反,雾层高度与VOCs体积浓度剧烈变化高度一致,雾层(<200 m)中VOCs体积浓度(0.172~0.178 ppm)明显减小,显著低于雾形成前(0.195~0.240 ppm),雾层以上浓度变化大,雾结束后1 h内保持雾过程中分布特点。雾对逆温层中的水溶性污染物有清除作用,VOCs体积浓度和O₃质量浓度均下降。

中国东部地区典型臭氧污染过程防控敏感性及减排情景研究

周德荣，刘祎，高健，唐志伟，蔡哲，黄昕，覃栎

2023,46(5): 667-678, DOI: 10.13878/j.cnki.dqkxxb.20221024001

[摘要] (82) [HTML] (37) [PDF 50.40 M] (486)

摘要：
近年来,我国东部地区夏季臭氧污染问题日渐凸显,成为影响空气质量、环境改善的重要因素之一,为量化评估臭氧前体物减排对臭氧污染的影响,本文以2021年6月19—30日中国东部地区臭氧污染过程为例,应用空气质量模型CMAQ-DDM方法与卫星遥感反演算法分析了东部地区臭氧浓度对人为源前体物排放敏感性的响应程度,并对臭氧前体物设置不同削减比例开展减排情景模拟,结果表明:1)2021年6月19—30日中国东部出现了一次长时间区域性臭氧污染过程,大部分城市达轻度至中度污染水平;2)整个污染时段东部地区主要以VOCs(Volatile Organic Compounds,挥发性有机物)控制区或VOCs与NO_x协同控制区为主,模型模拟与卫星反演结果具有较好的一致性,污染过程前段(19—25日)东部地区对VOCs敏感性较高,污染后段(26—30日)大部分地区转为VOCs和NO_x协同控制区,特别是河南、安徽、江苏部分地区,对NO_x敏感性提高较为显著;3)在相同减排比例条件下(VOCs∶NO_x=2∶1),减排幅度越大,臭氧降幅越大,当VOCs削减比例由20％提高到40％时,臭氧浓度降幅由1.7％增大至3.6％;由VOCs和NO_x协同减排(2∶1)过渡为强化NO_x减排(1∶1)的分阶段控制优于单一的减排控制方案,臭氧改善率平均增强0.1％;仅削减高架源NO_x对臭氧降幅不显著。

唐山市PM_2.5和O₃行业来源解析

刘颀娴，刘彬，张壹，王芃，董佳昕，张宝军，张宏亮

2023,46(5): 679-693, DOI: 10.13878/j.cnki.dqkxxb.20230518002

[摘要] (108) [HTML] (32) [PDF 45.41 M] (252)

摘要：
京津冀位于华北平原腹地,面临着严重的空气污染问题,尤其是河北省的重点工业城市唐山,长期位于全国空气质量最差的前十名。为改善空气质量,过去的十多年间我国颁布实施了多项污染防治计划,但唐山的PM_2.5和夏季O₃浓度仍超国家标准。为此,使用WRF(Weather Research and Forecasting Model)-CMAQ(Community Multiscale Air Quality Model)模型量化了唐山市2020年PM_2.5和O₃浓度的行业贡献并分析其协同控制可行性。工业源对唐山市PM_2.5浓度贡献最大,约占45％,其次是居民源约占16％。冬季能源、居民源和农业源占比为全年最高,分别达17％、19％和11％。O₃浓度的背景值约占一半以上,4月占比最高。在非背景值中,唐山O₃浓度最大来源为工业源,约占53％,其次是交通源,约占22％。生物源、交通源和能源行业的贡献在7月有所上升,分别约10％、27％和20％。不同污染情景下对唐山市PM_2.5和O₃的来源比较发现,工业和能源是其最重要的共同来源。

2021年南京市新冠疫情期间大气污染物变化特征及来源解析

周德荣，蒋琳，孙季韵婷，黄昕

2023,46(5): 694-702, DOI: 10.13878/j.cnki.dqkxxb.20221009002

[摘要] (54) [HTML] (28) [PDF 14.97 M] (184)

摘要：
为了解2021年南京市新冠疫情期间城市大气污染物浓度的变化和成因,利用南京大学SORPES站点2021年7月1日—2021年8月30日大气污染物在线监测数据,分析疫情前、中、后颗粒物及气态污染物的浓度变化,针对臭氧(O₃)的关键前体物,挥发性有机物(Volatile Organic Compounds,VOCs)采用正定矩阵因子分解法模型(Positive Matrix Factorization,PMF)、拉格朗日粒子输送与扩散模型(Lagrangian Particle Distribution Model,LPDM)分析其污染来源。结果表明:疫情封闭期间,南京市PM_2.5质量浓度较疫情前降低了40％～50％,组分中硝酸盐、有机物质量浓度降幅最为显著,分别下降了34.0％和16.5％。臭氧体积浓度不降反升,城中区域增幅最显著站点可达50％左右。其气态前体物氮氧化物(NO_x)及VOCs浓度变化呈相反态势,分别较疫情前降低28％、升高49.6％。模型及卫星遥感结果表明,疫情期间南京市臭氧属于协同偏VOCs控制区。气团溯源结果显示,南京市受本地及周边区域传输的共同影响,疫情封闭期间省外上海方向、省内苏州-无锡-镇江-南通方向的气团贡献增大。PMF解析了南京市本地VOCs主要来源于机动车排放源、植物源、溶剂源、工业生产源以及油气挥发源,其中机动车源占比变幅最大,疫情封闭期间下降了15.1％,疫情后上升了4.3％。其次为油气挥发源、溶剂源,这两项污染源疫情封闭期间分别上升了11.2％、1.7％,疫情后则分别下降了4.8％、4.3％。

长江三角洲地区污染物输送对南京臭氧影响的定量分析

龚康佳，李琳，史之浩，谢晓栋，胡建林

2023,46(5): 703-712, DOI: 10.13878/j.cnki.dqkxxb.20220215001

[摘要] (39) [HTML] (51) [PDF 20.30 M] (233)

摘要：
近年来南京O₃污染逐渐加剧,为了了解本地及周边城市排放对南京O₃的影响,本研究利用源导向的WRF/CMAQ区域空气质量模型对长三角2018年3—10月O₃污染季节的空气质量进行了模拟。通过追踪长三角41个城市的排放,探究了长三角地区对南京O₃的传输特征以及不同风向下的来源贡献。结果表明:研究期间南京O₃非污染日和污染日的本地贡献差异不大,分别为56.8％和49.5％;而污染发生时周边城市对南京O₃的贡献由36.4％增加至46.3％,长三角以外地区的贡献由6.8％减少至4.7％。;南京O₃污染日江苏省内对其贡献占73.1％,而浙江省、安徽省和上海市分别贡献了10.8％、10.5％和0.95％。污染期间南京本地分别由NO_x和VOCs作为前体物生成O₃(分别记为O₃N和O₃V)的贡献比率约为7∶13,说明南京本地VOCs对O₃生成贡献较大。污染日期间东南风和东北风占比分别为38.0％和35.9％,当主导风向为东北风时,上风向城市扬州对其贡献达13.6％;主导风向为东南风时,上风向城市常州(7.3％)、镇江(7.0％)和无锡(6.5％)对南京O₃的贡献较大。因此,南京O₃污染控制应考虑根据不同风向对上风向城市群的区域联防联控控制策略。

中尺度气象

基于双偏振雷达和降水现象仪的郑州“7·20”极端强降水微物理特征分析

郭换换，王坤

2023,46(5): 713-724, DOI: 10.13878/j.cnki.dqkxxb.20220715001

[摘要] (62) [HTML] (84) [PDF 25.22 M] (266)

摘要：
利用降水现象仪、双偏振雷达、常规气象观测资料和再分析数据,分析了郑州“7·20”极端强降水过程的微物理特征。此次过程受多尺度天气系统的共同影响,为复杂多变的降水微物理特征提供了有利的环境条件。结果表明,此次过程地面雨滴谱分布随时间存在明显变化,雨滴谱参数分布较广,覆盖了从大陆性对流降水至海洋性对流降水的分布区域。20日16—17时最强降水时段,小粒子数密度显著高于东亚地区普通对流性降水的统计结果和华南地区夏季平均值,且存在大量大粒子,保证了极高的降水效率。双偏振雷达参量的垂直结构反演结果显示,对流系统质心低,具有典型的暖云特征;0 ℃层以上冰相过程相对活跃,0 ℃层以下强烈的暖雨过程,大量的冰相粒子落下并融化和低层高效率的雨滴碰并增长过程,导致各尺度高浓度雨滴的生成,最终形成地面的极端强降水。

基于局地增长模培育法的对流可分辨尺度WRF模式对河南“21·7”特大暴雨的预报评估

刘侃，陈超辉，何宏让，姜勇强，陈祥国，王伟亮

2023,46(5): 725-737, DOI: 10.13878/j.cnki.dqkxxb.20220830001

[摘要] (47) [HTML] (56) [PDF 41.98 M] (213)

摘要：
基于WRF(Weather Research and Forecasting)模式,选取河南“21·7”特大暴雨事件,采用局地增长模培育法(Local Breeding Growth Mode,LBGM)生成对流尺度集合预报系统,在此基础上对24 h累积降水量进行SAL(Structure,Amplitude and Location)检验,结合预报成功指数(Threat Score,TS)、公平成功指数(Equitable Threat Score,ETS)评分等评分结果进行对比分析,综合评估集合预报成员的预报效果,表明:1)基于局地增长模培育法生成初始扰动的集合预报系统成员对于强降水预报有一定优势,在降水强度和位置的预报上与实况较接近;2)经检验,成员e003的TS和ETS评分在20日00时—21日00时(北京时,下同)和21日08时—22日08时两个强降水时段内表现最佳,并在SAL检验中对应较好的降雨强度A和雨区位置L,而成员e008暴雨TS、ETS评分最低,对应SAL检验中具有一定的位置偏差,即TS、ETS评分和SAL检验之间存在相关性,将二者有机结合,可以为业务工作中定量评估模式降水预报效果提供参考;3)通过对比整体评分表现较好的成员e003和较差的成员e008,两者预报的位势高度场与ERA5(ECMWF reanalysis v5,ERA5)再分析资料之间的差值,可以验证降水预报误差主要源于对低涡系统的预报偏差,同时预报评分较好的成员其位势高度偏差较小,综合评估效果更佳。

青藏高原东北边坡复杂地形重力波的数值模拟

王蓉，吴稀稀，岳平，黄倩，丑岩，张丰伟

2023,46(5): 738-752, DOI: 10.13878/j.cnki.dqkxxb.20230208001

[摘要] (44) [HTML] (30) [PDF 44.79 M] (212)

摘要：
基于2007年7月青海祁连站的野外加密探空资料,结合高分辨率的三维边界层模式,模拟研究了青藏高原东北边坡复杂地形条件下,边界层对流引起的干动力过程对该地区地形重力波产生及传播的影响机理。结果表明:在不同的背景场强迫下,高原东北边坡复杂地形上空对流和重力波的空间结构存在较大差异。当背景风向与山体垂直时,随着风速增加,山脊背风坡混合层顶附近大气不稳定能量加强,激发了下游区域较强的重力波信号,此时对流线组织性增强、重力波波列较长,高水汽含量的空气被波峰传输到较高的高度,为对流云发展提供了有利条件;当背景风向与山脊走向平行时,山顶上空对流发展旺盛,山脊背风坡混合层顶大气状态较稳定,激发的地形重力波信号较弱且波列较短,整个混合层顶附近水汽较少,对流云形成条件减弱;当背景大气浮力频率减小时,整个区域上空对流发展更加旺盛但组织性减弱,背风坡下游重力波向上传输的距离减小,信号不显著,混合层顶附近水汽分布均匀且变化幅度较小,有利于层状云发展。

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